用于海洋成像仪的离轴三反主光学系统设计

海洋成像仪光学系统要求在宽视场内具有高空间分辨率。该成像仪处于35800km高的静止轨道，在2．46°视场内地面分辨率需要达到250m，光谱覆盖范围为0．4～11．5μm，包括可见光近红外12个通道和远红外两个通道。介绍了满足这些要求的离轴三反射镜主光学系统的设计及结果，像质达到了衍射极限。     

基于Q型非球面的全景环带红外光学系统设计

全景环带光学系统凭借周视范围实时成像的特点已在超大视场光学领域中得到了广泛应用。传统的全景环带光学系统将折射、反射面集成在一片块状透镜中,光线在其内部进行多次折、反射导致头部单元体积较大,同时红外透镜材料密度大、折射率温度稳定性差等特点也与光学遥感器轻量化、可靠性高的应用需求相矛盾。文章基于像差理论,讨论了全景环带两反射镜红外光学系统头部单元初始结构设计方法,将Q型(Q-Type多项式)非球面引入全景头部单元增加优化变量,用偏离因子因子k_RMS数值表征非球面加工难度,设计了以两反射镜为头部单元的全景环带红外光学系统。该系统在奈奎斯特频率(20线对/mm)处调制传递函数优于0.5;全视场像元(25μm×25μm区域内)能量集中度优于65%,像质评价结果表明其成像品质良好。该设计在缩小系统体积、提高光学设计优化效率方面有很大的改进,满足超大视场实时成像的应用需求。     

半主动激光导引头光学系统设计及线性度分析

文章阐述半主动激光导引头的工作原理,分析四象限探测器输出信号与目标位置之间的关系,并对四象限探测器光斑能量分布关系与线性度进行推导;设计单片透镜、双片透镜组、三片透镜组3款不同的光学系统,以光斑能量照度信息为基础,分析特定视场角范围内光学系统的线性度,最后得到在±15°视场角中线性视场可达±8°的光学系统。     

大口径红外光学系统方案设计

高分辨率空间红外相机的光学系统具有大口径和大相对孔径的特点,针对某高分辨率红外相机的设计需求,根据三级像差理论计算了同轴三反系统初始结构,设计了传统的同轴三反和同轴偏视场三反系统。通过同轴两反主光学系统和离轴三反后光学系统合理的光焦度分配,设计了组合式五反系统共三种光学系统。设计的系统工作波长8~10μm,焦距7 000mm,相对孔径1…2.29,线视场角±0.58°×0.03°。在综合分析成像性能和光学加工、检测及系统装调等技术的基础上选定组合式五反光学系统为最终方案。五反光路结构尺寸为3 500mm×3 050mm×3 050mm,主镜达到3m级别,考虑到单镜整体加工检验难度,采用18块边长750 mm的正六边形子镜进行合成孔径拼接,子孔径拼接后系统全视场内的调制传递函数大于0.4,系统各项性能满足了技术指标。     

大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪设计与实现

GF-5卫星的大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪是中国目前光谱分辨率最高的红外超光谱探测载荷,它基于时间调制傅里叶变换光谱探测技术,通过太阳掩星观测方式在750~4 160cm–1(2.4~13.3μm)光谱范围内,实现光谱分辨率0.03cm–1的大气透射光谱探测。该载荷的两大技术特点和难点是高光谱分辨率和自主精密太阳跟踪,采用大光程差摆臂角镜傅里叶变换光谱仪实现了红外宽谱段、高分辨率光谱探测,研制了图像反馈太阳跟踪装置实现在轨自主精密太阳跟踪。文章回顾了该载荷的系统设计、关键技术及实现情况,给出了地面测试与试验结果,可为同类载荷研制提供参考。     

一种新型超大视场小畸变光学系统

光学遥感器正朝着高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率、大视场等方向发展。在传统空间遥感系统的研制过程中,分辨率与大视场互为矛盾,但在某些场合下,不仅需要图像具有较高的分辨率,而且需要具有较大的视场。解决这一矛盾对空间光学的发展具有积极作用。文章介绍了一种新型多尺度单心光学系统,从其设计原理出发,给出了一个多尺度单心光学系统的设计实例。经验证该系统能够实现大视场,像面照度均匀、畸变小,全视场具有一致分辨率,无需扫描即可获取大视场图像。文章介绍的这种成像系统结构对未来超大视场高分辨率空间遥感器的设计提供了参考。     

空间相机次镜在轨校正仿真分析

针对空间环境变化引起的面形误差和位置误差导致空间相机成像品质下降的情况,提出一种次镜调整补偿系统像差的多软件联合仿真方法。采用次镜调整来补偿系统像差的方法,利用条纹泽尼克多项式来拟合系统波前像差,建立像差系数和次镜调整量之间的多视场灵敏度矩阵模型,进而通过最小二乘法迭代计算求解出各调整量,实现次镜在轨校正的闭环控制。以偏视场同轴三反消像散光学系统为例进行仿真分析,次镜多次迭代调整可以使系统多个视场的波像差接近原始设计值。仿真结果验证了次镜在轨调整的像差补偿作用,为空间相机在轨主动像差校正技术提供了工程应用参考价值。     

北京三号B卫星相机像质评价方法

光学遥感相机的静态传递函数测试需要配套适当口径的平行光管,制造难度大、成本高,无法满足高性能、低成本的商业遥感载荷研制需求。文章提出一种基于异视场准直光路的像质评价方法,使用相机光学系统自身光路作为测试系统,通过异视场光路的准直,测得相机异视场叠加像质,对测试结果进行数据解算,最终得出相机各视场的真实波前信息。以北京三号B卫星相机研制过程为例,利用相机光学系统与自准直反射镜系统配合,采用上述异视场共光路测试方法,测量结果与传统方法测试结果进行对照,结果表明该方法测试结果准确、切实可行。     

亚微米像元器件在空间应用中的光学系统设计

图像传感器是空间光学探测系统的核心部件,探测器像元尺寸越小意味着所能分辨的空间频率越高。小像元器件已经不断被应用于空间遥感领域,以捕捉更多信息,分辨更多细节。在相同分辨率要求下,小像元器件有助于降低系统体积和质量。研究分析了亚微米像元器件的特性以及与之匹配的光学系统设计难点。依据亚微米像元器件地面验证相机的指标要求,进行了初始结构的对比研究,设计出一套含折转镜的施密特光学系统,克服了传统施密特光学系统后焦面置于光路中引入较大遮拦的缺点,实现了基于亚微米像元器件的小F数大口径光学系统设计。该光学系统工作于可见光谱段,口径达300mm,F数为1.67,视场角为2.2°×2.2°,结构紧凑,体积小,像质接近衍射极限。公差分析后,全视场全谱段下调制传递函数在奈奎斯特频率357线对/mm处优于0.3。     

N形缝光线引入器太阳敏感器技术研究

为适应微小卫星发展的需求,提出了基于线阵电荷耦合器(Charge Coupled Devices, CCD)的N字形狭缝数字太阳敏感器研究方案,以减小系统功耗并降低系统复杂度。该方案通过采用带有N字形狭缝的光线引入器以及单个线阵CCD作为光线探测器,实现了太阳敏感器对两轴太阳角的精确计算。提出利用迭代算法和修正系数对系统折射误差进行修正的方法,进一步结合质心算法,能够快速准确修正系统误差,提高系统精度和分辨率。N型数字太阳敏感器视场角可达(±60°)×(±60°),在整个视场范围内定姿精度优于0.1°,功耗 300mW。该数字太阳敏感器具有低功耗、大视场角和高精度的特点,设计、算法均大大简化,实现了太阳敏感器的微型化,在各种微小卫星上有广阔的应用前景。     

无热化大相对孔径星敏感器光学系统设计

提出了一种大相时孔径轻小型光学系统的设计方案,给出了设计方案及热分析结果.光学系统工作谱段500～800nm,视场角9°,相对孔径1／1.2,光学系统设计结果良好,弥散斑直径在两个像元尺寸之内,能够满足光学系统对能量集中度和弥散斑的要求.基于光学热补偿理论对光学系统进行了无热化分析和消热设计.通过分析不同温度下的传递函...     

高分辨率超大幅宽星载成像光谱仪光学系统设计

针对高空间分辨率、高光谱分辨率和大幅宽成像的遥感应用需求,提出了高分辨率超大幅宽星载成像光谱仪技术方案,分析确定了成像光谱仪光学系统指标,设计了空间成像光学系统和光谱成像光学系统.空间成像光学系统采用自由曲面离轴三反设计方案,实现了大视场、大相对孔径像方远心设计,系统相对畸变小于0.02％;光谱成像光学系统的狭缝长度超...     

MERIS光谱仪与成像通道

MERIS光谱仪是一种用于欧空局ENVISAT-1卫星上的推扫式中等分辨率光谱成像仪。其对地观测的光谱范围为400-1050um,天底点处空间分辨率为26m,刈幅度为1500km,主要提供海洋和陆地信息。 MERIS光谱仪有6台相机,呈扇形并置在一起,视场角可达82° 该光谱仪独特之处在于能够根据地面指令在整个光谱范围内选择窄谱段的位置和宽度,一共可选择15个谱段,带宽在1.25-30nm之间。 本文详细介绍该光谱成像仪的关键部件,如光谱仪的光学系统,配有超薄背光照明CCD、工作温度为-25℃的焦面机构,低噪声视频模拟装置及信号12bits数字化。     

空间太阳望远镜的热设计和热光学分析

将卫星热控制技术与光学波像差理论相结合,以空间太阳望远镜（SST）为例,对空间光学系统的热设计和热光学分析进行了研究,以光学指标作为热设计的最终评价标准,为高分辨率空间光学系统的热设计找到了一套行之有效的方法。     

成像光谱仪宽视场离轴三反望远系统的光学设计

视场宽、结构紧凑、质量轻是空间光学系统设计研究的热点。文章从离轴三反望远系统的应用技术指标分析、设计思想、设计流程及光学系统优化4个方面,研究了成像光谱仪用宽视场、大相对孔径离轴三反消像散望远系统的设计问题,设计出一个光谱范围0.4～2.5μm、焦距f′=700mm、相对孔径f′/4、线视场角20°的离轴三反望远系统,次镜为球面,主镜和三镜非球面最高次数为4次,在Nyquist频率27.8对线/mm处,调制传递函数值均大于0.87。     

基于紫外ICCD的导弹逼近告警系统研究

在200-400nm紫外波段,阳光辐射被大气中的臭氧层强烈吸收,存在所谓的“太阳光谱盲区”;而背景环境中景物的温度不足以产生有影响的紫外辐射。因此,在低空环境中,紫外探测器很容易探测到微弱的紫外辐射,具有很低的虚警率。开展了基于紫外ICCD的导弹逼近告警系统研究、紫外目标特性及大气传输研究、大视场窄带紫外光学系统研究及紫外图像处理等研究,进行了各种测试试验,取得了预期的研究成果。     

一种高精度半角反射镜指向机构的设计与实现

为了实现"海洋一号"C/D卫星定标光谱仪的星上太阳定标,完成星下点±30°定标区域内高精度成像,文章采用直接驱动方式设计了一种高精度半角反射镜指向机构。为了避免间接驱动引入的误差,实现角秒级的定位精度,半角机构采用了固体润滑角接触球轴承支撑,高精度分体式直流力矩电机驱动,测角反馈元件为无刷双通道旋转变压器,指向定位控制采用了基于位置反馈的闭环控制。在仿真基础上研制了等比试验件,通过了振动、寿命和温度等试验测试,机构指向和定位精度分别优于36″和18″。仿真和试验结果表明,文章提出的基于直接驱动方式的设计方法能够满足在轨指向高精度的要求,可为后续空间高精度半角机构以及类似的指向定位机构研制提供参考。     

一种2π视场高分辨热等离子体分析仪设计与仿真

针对空间热等离子探测中大通量动态范围、宽视场和高分辨率的需求，以带顶盖球形静电分析器为基础设计了2π视场热等离子体分析仪(Hot plasma analyzer, HPA)，探测性能得到显著提升。通过优化球形剖面视场偏转系统以及粒子光学系统，实现对热等离子体的2π视场高角度分辨率探测，可探测能量范围覆盖50 eV~20 keV，能量分辨率优于10%。利用顶盖电压控制方式实现几何因子在两个量级内连续可调，可以满足对太阳风和磁层热等离子体的全空间高分辨探测需求。     

高分多模卫星图像质量保证和验证

针对高分多模卫星敏捷成像模式开展图像质量预估,识别出关键影响因素,并在工程设计和研制过程中采取相应措施保证图像质量。通过适当提升星下点分辨率,保证卫星一定机动范围内的0.5 m分辨率;配置大气同步校正仪,消除大气对高分辨率图像的影响;采用积分时间分片设置,解决卫星大角度成像时中心和边缘视场像移速度差异大的问题;采用积分时间实时设置,解决主动推扫成像过程中焦面像移速度变化快的问题;通过地面处理,解决主动推扫成像模式下图像内部均一化的问题。高分多模卫星在轨测试结果表明:研制过程中采用的图像质量保证措施有效,敏捷成像模式下的图像质量符合预期要求。     

半导体激光准直仪设计

根据KM6太阳模拟器光学装校系统的技术要求,文章提出了半导体激光器输出光束的两套准直方案.分别介绍了这两套技术方案的原理,并进行了比较,决定采用在激光器前加前准直光学系统的方案.介绍了准直光学系统的设计,并对所设计的光学镜头进行了像质分析;设计了与光学系统相配套的机械结构,给出了激光光束的准直性分析.结果表明:自行设计的半导体激光准直仪,技术指标明显优于市场上可提供的光束发散角为5～8 mrad的半导体激光准直仪.为KM6太阳模拟器光学系统装校工作顺利进行提供了保证.